Les pr´ec´edents calculs ont montr´e qu’un diam`etre ext´erieur de 12.5 mm pour le noyau per-met d’atteindre les mˆemes gradients thermiques que sur l’aube de turbine haute pression. Il reste maintenant `a concevoir une g´eom´etrie de noyau permettant de maintenir la partie cylin-drique de 12.5 mm au centre de la zone utile de l’´eprouvette.
Une premi`ere g´eom´etrie de noyau est mise au point (FIGURE 1.18). Comme on peut le voir le diam`etre ext´erieur fait 12.5 mm sur une longueur de 30 mm en face de la partie utile de l’´eprouvette. Dix perforations de 2 mm de diam`etre, permettent l’arriv´ee de l’air. La section de passage des 10 perforations est conc¸ue pour correspondre `a la section de passage au niveau de la zone utile (∼ 31mm2). La mise en place dans l’´eprouvette requiert une modification des tˆetes des ´eprouvettes (FIGURE 1.19). Deux taraudages sont r´ealis´es pour maintenir le noyau grˆace `a deux vis. Un lamage de l’´eprouvette sur 5 mm est ´egalement r´ealis´e pour contenir la tˆete du noyau (Annexe A2). La tol´erance sur le diam`etre est prise en H7 (noyau en g6), afin que les deux pi`eces soit coaxiales et align´ees. Enfin, la profondeur du lamage est prise l´eg`erement plus grande que l’´epaisseur de la tˆete du noyau de mani`ere que ce soit l’´eprouvette qui reprenne les efforts de compression et non le noyau. 5 ´eprouvettes lisses sont modifi´ees : XC7538E, XC7540D, XC7540E, XC7541A et XC7541B. Le noyau est r´ealis´e en MACOR, c´eramique vitreuse `a base de Silice (SiO2), usinable par des moyens conventionnels, donc rapidement. Par ailleurs, il n’est pas conducteur ´electriquement et r´esistant jusqu’`a 800◦C. Le noyau ´evoluant dans un flux d’air, il ne devrait pas atteindre cette temp´erature.
Certains d´efauts sont apparus lors de l’utilisation de ce noyau. Notamment, il a ´et´e difficile d’assurer la coaxialit´e entre le noyau et l’´eprouvette, ce qui a engendr´e une inhomog´en´eit´e du refroidissement sur la circonf´erence de la zone utile. Par ailleurs, lors d’un arrˆet brutal de l’air, faisant passer le mat´eriau au del`a de 800◦C, le noyau s’est bris´e. Des modifications ont alors ´et´e apport´ees `a la g´eom´etrie du noyau (FIGURE 1.20, et Annexe A4). La base a ´et´e modifi´ee en ajoutant une zone cylindrique de 10 mm de long pour am´eliorer le centrage. Enfin, la partie conique en aval de la zone utile a ´et´e remplac´ee par un prolongement du diam`etre maximal pour simplifier la g´eom´etrie et donc la fabrication. Ces modifications ont permis un meilleur centrage du noyau dans l’´eprouvette durant les tests r´ealis´es. Ensuite le MACOR a ´et´e remplac´e par de l’alumine, r´esistante jusqu’`a 1 800◦C, et qui peut donc r´esister `a un arrˆet du r´eseau d’air.
0 5 10 15 20 25 30 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Debit massique (g/s) h (W.m 2 .K − 1 ) DM 350° C McA 350° C W 350° C DM 950° C McA 950° C W 950° C G (a) 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120 Debit massique (g/s) ∆ T ( ° C) DM 350° C McA 350° C W 350° C G 350° C DM 650° C McA 650° C W 650° C G 650° C DM 950° C McA 950° C W 950° C G 950° C (b)
FIGURE1.17 – Estimation du gradient thermique de paroi pour un tube infini avec noyau par
des corr´elations analytiques (a) Coefficient d’´echange (b) Diff´erence de temp´erature ext´erieure - int´erieure
FIGURE1.18 – Sch´ema simplifi´e du noyau V1 en MACOR
FIGURE1.19 – Modification des tˆetes de l’´eprouvette pour recevoir le noyau
5 Dimensionnement du syst`eme de refroidissement
Le refroidissement est r´ealis´e par une circulation d’air `a l’int´erieur de l’´eprouvette. Sur aube de turbine haute pression, l’air de refroidissement se trouve `a environ 20− 25 bar et `a une temp´erature de l’ordre de 300◦C, car extrait du compresseur haute pression en amont de la chambre `a combustion. Nous faisons l’hypoth`ese que la pression et la temp´erature de l’air du r´eseau du laboratoire (respectivement 7 bar et 20◦C ) ne modifient pas la repr´esentativit´e de l’essai. En effet, les pressions exerc´ees par l’air sur la paroi de l’aube de turbine haute pression ou de l’´eprouvette sont de l’ordre de quelques MPa. De telles contraintes sont n´egligeables devant les contraintes d’origine thermique et les contraintes impos´ees. En ce qui concerne la temp´erature de l’air de refroidissement, le mat´eriau ne la voit qu’`a travers le flux de chaleur sortant par la surface interne. D’apr`es l’ ´Equation (1.9), pour obtenir le mˆeme flux de chaleur sortant ˙qre f que sur aube mais avec une temp´erature d’air diff´erente, il suffit d’agir sur le
FIGURE 1.20 – Sch´ema simplifi´e du noyau V2 en Alumine
coefficient d’´echange h, donc le d´ebit d’air. Or, utiliser de l’air plus froid permet de diminuer le d´ebit d’air n´ecessaire pour obtenir le mˆeme flux de chaleur convectif que sur aube. Cela est ainsi avantageux, dans le cas o`u le d´ebit d’air est limit´e, comme c’est notre cas.
L’air provient du r´eseau d’air comprim´e du site de l’ONERA Chˆatillon. Il est fourni par deux compresseurs `a palettes fonctionnant en parall`ele et fournissant une pression de 7 bars. Un r´eservoir d’une capacit´e de 500 L au niveau des compresseurs ainsi qu’un second de 500 L, plus pr`es de l’installation d’essai, permettent de limiter les fluctuations du r´eseau. Ces per-turbations peuvent provenir de la mise en route ou de l’arrˆet des compresseurs ou bien de l’utilisation du r´eseau d’air par un tiers. Le d´ebit maximal th´eorique d’un compresseur est de 170 Nm3/h. L’unit´e Nm3 est le m`etre cube normalis´e. Il s’agit du volume qu’occupe le gaz `a l’´etat standard (Patm `a 0◦C). Cette unit´e permet une conversion ais´ee en d´ebit massique par la relation ˙mair= ˙Vair× ρ(Tair, Pair), avec ˙Vair le d´ebit volumique, la masse volumique de l’air ´etant connue `a l’´etat standard (ρair(0◦C, Patm) = 1, 293 kg.m−3). Le d´ebit massique maximal th´eorique d’un compresseur est donc de 61 g/s, sachant qu’il est pr´ef´erable, pour des raisons de s´ecurit´e, de n’en n’utiliser qu’un en continu.
Pour le contrˆole et la mesure du d´ebit d’air, nous utiliserons la technologie du d´ebitm`etre `a mesure massique an´emom´etrique `a temp´erature constante et `a passage direct (aussi appel´e d´ebitm`etre thermique). Il est constitu´e de 2 capteurs en acier inoxydable, implant´es dans le passage de l’air. Le premier est un ´el´ement chauffant, le second est une sonde de temp´erature. Une diff´erence de temp´erature ∆T constante est ´etablie entre les deux capteurs et le d´ebit massique est retrouv´e par la formule :
W = k ( ˙mair)0.8∆T (1.17) avec W la puissance impos´ee `a l’´el´ement chauffant et k une constante. Une valve munie d’un contrˆoleur permet ´egalement de r´eguler le d´ebit. Deux d´ebitm`etres avec r´egulateurs ont ´et´e
acquis. Le premier, un DMS-818 de marque KOBOLD (FIGURE 1.21(a)) et d’une capacit´e de 60 Nm3/h (21.5 g/s) et le second, un MASS-STREAM D-6383 de M+W INSTRUMENTS (BRONKHORST company, FIGURE 1.21(b)) d’une capacit´e de 150 Nm3/h (53.88 g/s). Les deux d´ebitm`etres pr´esentent une erreur de mesure de l’ordre de 2% et sont fournis avec un certificat d’´etalonnage.
(a) (b)
FIGURE1.21 – Photos des d´ebitm`etres (a) DMS-818 60 Nm3/h (b) MASS-STREAM D-6383
150 Nm3/h
Un test avec le d´ebitm`etre de plus grande capacit´e a ´et´e effectu´e avec l’ouverture maxi-male de la valve pour tester les limites du r´eseau. Le r´esultat est trac´e FIGURE 1.22 et montre qu’apr`es un pic `a 48.5g/s, le d´ebit d’air oscille entre 45 et 46g/s avec une p´eriode de 1min 20s. Cette variation s’explique par l’allumage p´eriodique du deuxi`eme compresseur durant quelques secondes afin de maintenir les 7 bars de pression du r´eseau d’air, que le premier compresseur n’arrive pas `a maintenir en fonctionnant en continu. Ce test met en ´evidence le d´ebit d’air maxi-mal que l’on peut obtenir du r´eseau d’air, et qui est loin des 340 Nm3/h (122g/s) th´eoriques des deux compresseurs.
Pour conserver une marge de s´ecurit´e de 5%, on fixera le d´ebit maximal `a 43.1g/s, corres-pondant `a 80% de capacit´e du d´ebitm`etre. En pr´esence du noyau dans l’´eprouvette, on constate une forte diminution du d´ebit d’air. Dans ce cas, le d´ebit d’air se oscille entre 26.5g/s et 27g/s pour les mˆemes raisons. On fixera alors le d´ebit maximal avec noyau `a 24.2g/s, correspondant `a 45% de capacit´e du d´ebitm`etre.
Les param`etres du r´egulateur Proportionnel Int´egral D´eriv´e (PID) du d´ebitm`etre sont r´egl´es de mani`ere `a att´enuer les oscillations dues `a l’allumage des compresseurs. Avec le r´egulateur param´etr´e, le d´ebit d’air sans noyau oscille entre 42.9 et 43.3g/s. Avec noyau, il oscille entre 25.2 et 24.8 g/s. Si l’on se d´efinit une erreurεair=max( ˙mair)−min( ˙mair)
max( ˙mair) , on trouve respectivement
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Temps (s) Debit air (g/s) sans noyau avec noyau
FIGURE1.22 – Mesure du d´ebit d’air avec ouverture maximale de la valve du d´ebitm`etre